DE19810186C2 - Spiralwärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiralwärmetauscher, der durch mit radialem Ab­ stand zueinander gewickelte Bänder gebildete Kanäle mit jeweils mehreren Windungen aufweist.

Ein bekannter Spiralwärmetauscher besitzt ein langgestrecktes umfangssei­ tig geschlossenes Gehäuse und stirnseitige hutförmige Kappen. Die Kappen können mit dem Gehäuse lösbar oder unlösbar verbunden sein.

In dem zylindrischen Gehäuse sind zwischen in den Kappen ausgebildeten Verteiler- und Sammelkammern für ein erstes Tauschermedium zwei Spiral­ kanäle mit mehreren Windungen angeordnet. Die Spiralkanäle sind durch das Wickeln von Bändern aus Stahlblech gebildet. Ein erster Spiralkanal ist am radial inneren Ende verschlossen und mündet mit seinem radial äußeren Ende benachbart der Innenwand des Gehäuses. Dieser erste Spiralkanal ist über offene Stirnseiten einerseits mit der Verteilerkammer und andererseits mit der Sammelkammer medienleitend verbunden. Das erste Tauscherme­ dium durchströmt dadurch die Windungen des ersten Spiralkanals im we­ sentlichen parallel zur Längsachse des Gehäuses.

Mit seiner inneren Windung begrenzt der erste Spiralkanal zwei zueinander koaxial ausgerichtete, nahezu kreisrunde Zentralkanäle. Diese sind in der Mittelquerebene des Gehäuses quasi mediendicht voneinander getrennt. Die voneinander abgewandten Enden der Zentralkanäle sind mit Zu- und Ab­ strömkanälen mediumleitend verbunden, welche die Kappen und damit auch die Verteiler- und Sammelkammern in Längsrichtung durchsetzen.

Der das zweite Tauschermedium führende zweite Spiralkanal ist in der Mit­ telquerebene des Gehäuses in zwei koaxial hintereinander liegende Län­ genabschnitte weitgehend mediendicht aufgeteilt. Die Längenabschnitte sind an ihren einander abgewandten Stirnseiten gegenüber der Verteilerkammer sowie der Sammelkammer abgedichtet. An ihren radial inneren Enden sind die Längenabschnitte jeweils mit einem der Zentralkanäle und über ihre äußeren Windungen untereinander mediumleitend verbunden.

Das erste Tauschermedium tritt über einen Querstutzen an einer Kappe in die Verteilerkammer ein und aus dieser axial in den ersten Spiralkanal über. Es durchströmt anschließend die Windungen des ersten Spiralkanals in des­ sen Längserstreckung, das heißt im wesentlichen parallel zur Gehäuse­ achse. Am anderen Ende tritt das erste Tauschermedium direkt aus allen Windungen in die Sammelkammer über und verlässt die von einer Kappe umschlossene Sammelkammer ebenfalls über einen Querstutzen an der Kappe.

Das zweite Tauschermedium gelangt über einen axialen Zuströmkanal in einen Zentralkanal und tritt aus diesem in das radial innere Ende des hiermit verbundenen Längenabschnitts des zweiten Spiralkanals über. Es durch­ strömt die Windungen dieses Spiralkanals von innen nach außen und tritt in der äußeren Windung axial in den anderen Längenabschnitt über. Dann durchströmt es die Windungen dieses Längenabschnitts von außen nach innen und gelangt an dessen innerem Ende in den zweiten Zentralkanal, von dem aus es über einen axialen Abströmkanal den Spiralwärmetauscher wie­ der verlässt.

Im Bereich der Spiralkanäle stehen mithin das erste Tauschermedium und das zweite Tauschermedium Wärme übertragend in indirektem Kontakt.

Die lichte radiale Weite der Spiralkanäle wird durch aus den Bändern ge­ drückte nockenartige Vorsprünge bestimmt. Da diese aber nur unwesent­ liche Widerstände ermöglichen, ergibt sich in den beiden Längenabschnitten des zweiten Spiralkanals unter Berücksichtigung der Regeln der Strö­ mungslehre eine ungleiche Strömungsverteilung, und zwar sowohl beim Übertritt des zweiten Tauschermediums aus dem zuströmseitigen Zentral­ kanal in den damit verbundenen Längenabschnitt als auch beim Übertritt aus dem anderen Längenabschnitt in den abströmseitigen Zentralkanal. Eine aus der durch die einen nur geringen Widerstand bewirkenden Vorsprünge resultierende geringe Turbulenz des zweiten Tauschermediums im zweiten Spiralkanal einerseits sowie eine hieraus resultierende ungleiche Geschwin­ digkeitsverteilung andererseits wirken sich indessen negativ auf den Wär­ meübergang aus.

Der Verschluss am radial inneren Ende des ersten Spiralkanals, der Ver­ schluss am radial äußeren Ende des zweiten Spiralkanals sowie die ge­ schlossenen Stirnseiten des zweiten Spiralkanals können dadurch erzeugt werden, dass die Bandenden hinter den letzten nockenartigen Vorsprüngen flach zusammengedrückt und anschließend stirnseitig verschweißt werden. Bestehen die Bänder aus austenitischem Material, werden sie durch WIG- Schweißen miteinander verbunden.

Durch das Zusammendrücken der Bänder werden enge Spalte gebildet, die bei Vorhandensein eines chloridhaltigen Mediums ein kritisches Spaltkorro­ sionspotential schaffen. Da zur Vermeidung von Anlauffarben (Beeinträchti­ gung der Oberflächenpassivität austenitischer Materialien) üblicherweise das WIG-Schweißen mit Formiergas zur Anwendung gelangt, kann das hierbei eingesetzte Formiergas (Argon oder CO₂) nur schlecht in die Spalte zwi­ schen den zusammengedrückten Bändern dringen. Dieser Sachverhalt führt zu einem kritischen Lochkorrosionspotential. Unter kritisch wird in diesem Zusammenhang eine Korrosionsgefährdung verstanden, weil der Abstand des Redoxpotentials zu den genannten Potentialen schrumpft.

Aus der DE 35 05 798 A1 ist ein Spiralwärmetauscher bekannt, der sich aus zwei mehrgängigen Spiralen zusammensetzt, die einander entgegenge­ setzte Drehsinne aufweisen. Jede Spirale ist aus hochkant nebeneinander stehenden Blechbändern gebogen. Beide Spiralen sind in einem geschlos­ senen rechteckigen Gehäuse angeordnet. Ein Stoffstrom verteilt sich über vier Zuströmöffnungen auf vier Strömungskanäle. Zwischen den Strömungs­ kanälen befinden sich freie Spiralräume, die als Strömungskanäle für einen zweiten Stoffstrom dienen, der zentral eingeleitet wird. Entsprechend den vier Zuströmöffnungen sind an den Enden der ersten Strömungskanäle vier Abströmöffnungen vorgesehen und gegenüberliegend der zentralen Zu­ strömöffnung auch eine zentrale entsprechende Abströmöffnung.

Über die Fertigung des Spiralwärmetauschers wird in der DE 35 05 789 A1 nichts gesagt. Auch werden keine Ausführungen darüber gemacht, wie der Stoffstrom aus den Zuströmöffnungen in die Spiralkanäle gelangt und von den Spiralkanälen in die vier Abströmöffnungen. Insbesondere kann diesem Dokument nichts darüber entnommen werden, wie die Spiralkanäle offen gehalten werden. Schließlich kann ein in Rede stehender Spiralwärmetau­ scher erheblichen Beanspruchungen ausgesetzt sein, die Berücksichtigung finden müssen.

Ein ähnlicher Spiralwärmetauscher ist auch der Zeitschrift "Haustechnische Rundschau", 10/1986, Seiten 481-484 zu entnehmen.

Der Erfindung liegt - ausgehend vom Stand der Technik - die Aufgabe zugrunde, einen Spiralwärmetauscher mit entgegengesetzt gewickelten Spi­ ralkanälen zu schaffen, der bei verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften ein kompaktes Gehäuse besitzt und bei welchem eine gleich­ mäßige Geschwindigkeitsverteilung der im Wärmetausch stehenden Medien sowohl beim Übergang aus den Zuströmkanälen in die Spiralkanäle als auch beim Übergang von den Spiralkanälen in die Abströmkanäle gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Ein derartiger Spiralwärmetauscher weist in einem im Querschnitt ovalen Gehäuse mit an den Flachseiten nach innen vorspringenden dreieckförmi­ gen Längsstegen zwei nebeneinander liegende Spiralkanalpaare auf, von denen jedes Spiralkanalpaar aus durch mit radialem Abstand zueinander gewickelten Bändern aus Stahlblech gebildeten Spiralkanälen mit jeweils mehreren Windungen besteht. Die beiden Spiralkanalpaare sind gegenläufig gewickelt, so dass die äußeren Windungen der Spiralkanäle eines Spiral­ kanalpaars im Bereich der vertikalen Mittellängsebene des Gehäuses tan­ gential in die äußeren Windungen der Spiralkanäle des benachbarten Spiral­ kanalpaars übergehen.

Die radial inneren Windungen jedes Spiralkanalpaars begrenzen zwei Axial­ kanalpaare, die im seitlichen Abstand zueinander sich in Längsrichtung durch das Gehäuse erstrecken. Jedes Axialkanalpaar besteht aus einem im Querschnitt halbkreisförmigen axialen Zuströmkanal und einem im Quer­ schnitt halbkreisförmigen axialen Abströmkanal. Jeder Zuströmkanal ist vom benachbarten Abströmkanal durch eine längsgerichtete Trennwand medien­ dicht abgeschottet. Die radial inneren Enden der Spiralkanäle münden in die Zuström- und Abströmkanäle.

Die Zuströmkanäle werden bevorzugt nur an einem Ende mit jeweils einem Tauschermedium beaufschlagt. Sie können aber auch an beiden Enden mit dem Tauschermedium beaufschlagt werden. Die Tauschermedien treten dann aus den Zuströmkanälen in die angeschlossenen Spiralkanäle über, durchströmen diese Spiralkanäle von innen nach außen und anschließend die Spiralkanäle des anderen Spiralkanalpaars von außen nach innen. Hier treten die Tauschermedien jeweils in den Abströmkanal ein, der zu dem be­ nachbarten Axialkanalpaar gehört. Aus diesen werden die Tauschermedien letztlich nach außen abgeführt. Dies kann an nur einem Ende der Abström­ kanäle oder ggf. auch an beiden Enden erfolgen.

Es ist ersichtlich, dass die beiden Tauschermedien im Gleichstrom oder im Gegenstrom durch die Spiralkanäle geführt werden können.

Die Erfindung schafft mithin die Voraussetzungen für einen langen Wärme austauschenden Kontakt der Tauschermedien mit dem Ziel eines deutlich verbesserten Wärmeübergangs.

Das Material der Spiralkanäle, der Zuströmkanäle und der Abströmkanäle ist bevorzugt ein Wärme gut leitender und in Bezug auf die unterschiedlichsten Medien resistenter Konstruktionswerkstoff.

Die die lichte Weite der Spiralkanäle bestimmenden Abstandselemente bil­ den mehrere nebeneinander verlaufende Strömungsgänge in den Spiralka­ nälen. Auf diese Weise wird eine weitgehend gleichmäßige Geschwindig­ keitsverteilung der Tauschermedien sowohl beim Übergang aus den Zu­ strömkanälen in die Spiralkanäle als auch beim Übergang von den Spiralka­ nälen in die Abströmkanäle erreicht, und zwar insbesondere dann, wenn die Abstandselemente außerdem Turbulenzen in den Tauschermedien erzeu­ gen.

Auch die Abstandselemente in den Spiralkanälen bestehen vorzugsweise aus dem vorstehend erwähnten Konstruktionswerkstoff.

Die Abstandselemente sind bevorzugt gemäß den Merkmalen des Patentan­ spruchs 2 ausgestaltet. Danach bestehen die Abstandselemente aus ge­ wendelten Drähten, deren Windungen zu den Längsachsen der Abstands­ elemente schräg gestellt sind. Auf diese Weise können sich die Abstandselemente problemlos Weitenänderungen der Spiralkanäle anpassen. Auch Wärmedehnungen werden ohne weiteres aufgefangen.

Die seitliche abstandsgerechte Fixierung der aus wendelförmigen Drähten bestehenden Abstandselemente in den Spiralkanälen kann entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 3 zweckmäßig durch sogenannte Knotendrähte erfolgen. Die Knoten der Knotendrähte können in die Ab­ standselemente eingepresst werden und sichern auf diese Weise problemlos die funktionsgerechte Lage der Abstandselemente in den Spiralkanälen.

Gemäß der Ausführungsform des Patentanspruchs 4 sind das beaufschla­ gungsseitige Ende eines Zuströmkanals und dessen axial gegenüberliegen­ des Ende sowie das abströmseitige Ende des strömungstechnisch zugehöri­ gen Abströmkanals und dessen axial gegenüberliegendes Ende mit Stirn­ platten verschlossen. Bevorzugt sind die Stirnplatten eingeschweißt. Die Stirnplatten sind umfangsseitig mit nasenartigen Fortsätzen versehen, wel­ che in die radial inneren Enden der Spiralkanäle fassen, welche mit den durch die Stirnplatten verschlossenen Zuström- und Abströmkanälen ver­ bunden sind. In den Querebenen der Stirnplatten erstrecken sich in Wickel­ richtung der Spiralkanäle Runddrähte, die mit den Fortsätzen verschweißt sind. Auf diese Weise sind die Stirnseiten dieser Spiralkanäle einwandfrei gedichtet. Die diesen gedichteten Spiralkanälen umfangsseitig benachbarten Spiralkanäle werden von Dichtplatten begrenzt, die sich parallel zu den Stirnplatten erstrecken und dem Querschnitt des Gehäuses angepasst sind. Diese Dichtplatten können bevorzugt aus einem Asbestersatz-Material be­ stehen. Die Dichtplatten stützen sich an Deckeln aus Stahl ab, die stirnseitig das Gehäuse verschließen. Die Deckel sind mit dem Gehäuse verschweißt.

Eine einfache Zuführung und Abführung der Tauschermedien wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 erzielt. Dazu münden in die beaufschla­ gungsseitigen Enden der Zuströmkanäle und in die abströmseitigen Enden der Abströmkanäle rohrförmige Zuströmstutzen und Abströmstutzen. Diese durchsetzen die Stirnplatten, die Dichtplatten und die Deckel. Jeweils ein Zuströmstutzen und der diesem strömungstechnisch zugeordnete Abström­ stutzen sind mit den Stirnplatten und den Deckeln verschweißt, während der andere Zuströmstutzen und der diesem strömungstechnisch zugeordnete Abströmstutzen nur mit den Deckeln verschweißt sind.

In einer Reihe von praktischen Einsatzfällen besteht die Notwendigkeit, zwi­ schen den beiden im Wärmetausch stehenden Tauschermedien eine her­ metische Sicherheitsbarriere zu errichten. Dies ist z. B. in der chemischen Industrie relativ häufig erforderlich, wenn eines der Tauschermedien kritisch, z. B. giftig ist. In diesem Fall gelangen bevorzugt die Merkmale des Patent­ anspruchs 6 zur Anwendung.

Danach werden in diejenigen Spiralkanäle, welche das kritische Medium transportieren, zusätzlich zwei Stahlbänder eingewickelt, welche flächig die Wände dieser Spiralkanäle kontaktieren. Das heißt, der Spalt zwischen den Stahlbändern und den Wänden geht gegen Null. Die Stirnenden der Stahl­ bänder sind im Bereich des zugeordneten Zuströmkanals und Abström­ kanals mit Endplatten verschlossen, die in einem axialen Abstand zu den Stirnplatten liegen. Die stirnseitigen Enden der Windungen dieser Spiral­ kanäle sind in den Querebenen der Endplatten durch eingeschweißte Drähte verschlossen, die auch mit den Endplatten verbunden sind.

Die Zuström- und Abströmstutzen sind dann mit den Endplatten verbunden. Auf diese Weise entstehen zwischen den Endplatten und den Stirnplatten kreisringförmige Bereiche, die an Druckwächter angeschlossen werden. Bei geeigneter Sensibilität der Druckwächter zeigen diese jede Veränderung des Druckniveaus an, z. B. dann, wenn die Stahlbänder durchkorrodiert sind. Die Druckwächter bewirken somit einen sicherheitsrelevanten Abbruch des Wärmetauschbetriebs.

Nach Patentanspruch 7 sind die Bereiche zwischen den Endplatten und den Stirnplatten bevorzugt über die Zuströmstutzen und die Abströmstutzen mit radialem Abstand umgebende, mit den Stirnplatten und den Deckeln ver­ schweißte Rohre an die Druckwächter angeschlossen.

Desweiteren kommt es in bestimmten Industriebereichen, unter anderem in der chemischen Industrie, vor, dass einem der im Wärmetausch stehenden Tauschermedien aus unterschiedlichen Gründen ein weiteres Medium bei­ gemischt werden muss. So wird z. B. in der Automobil-Industrie bei moder­ nen Abgassystemen zur NO_x-Reduzierung dem zu kühlenden Abgas Harn­ säure beigemischt.

Um auch diesem Sachverhalt Rechnung tragen zu können, sieht eine wei­ terbildende Maßnahme entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 8 vor, dass in die einen Zuströmkanal mit einem Abströmkanal verbinden­ den, das zu mischende Medium transportierenden Spiralkanäle zwei perfo­ rierte Stahlbänder mit Abstand zu den Wänden dieser Spiralkanäle einge­ wickelt werden. In die Spalte zwischen den Wänden und den perforierten Stahlbändern sind dann außerdem sich in Wickelrichtung der Spiralkanäle erstreckende Abstandselemente eingegliedert. Auch diese Abstands­ elemente liegen im seitlichen Abstand nebeneinander und sind bevorzugt durch gewendelte Drähte gebildet. Die Stirnenden der perforierten Stahlbän­ der werden im Bereich der Zuström- und Abströmkanäle mit Trennplatten verschlossen, insbesondere durch eingeschweißte Trennplatten, welche im axialen Abstand zu den Stirnplatten angeordnet sind. In den Querebenen der Trennplatten werden in die Stirnenden der perforierten Stahlbänder Runddrähte eingeschweißt. Auf diese Art entstehen zwischen den Trenn­ platten und den Stirnplatten kreisringförmige Bereiche, von denen minde­ stens der Bereich zwischen der zuströmseitigen Trennplatte und der dieser benachbarten Stirnplatte an eine Medienzufuhr angeschlossen ist. Über diese Medienzufuhr kann dann ein weiteres Medium herangeführt werden, das für eine Mischung geeignet ist.

In Weiterbildung des vorstehenden Gedankens ist nach Patentanspruch 9 vorgesehen, dass der Bereich zwischen der Trennplatte und der Stirnplatte über ein den die Trennplatte dicht durchsetzenden Zuströmstutzen mit radi­ alem Abstand umgebendes mit der Stirnplatte und dem Deckel verschweiß­ tes Rohr an die Medienzufuhr angeschlossen ist.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Querschnitt durch einen Spiralwärmetauscher entlang der Linie I-I der Fig. 2;

Fig. 2 einen vertikalen Längsschnitt durch die Fig. 1 entlang der Li­ nie II-II an einem Ende des Spiralwärmetauschers der Fig. 1;

Fig. 3 einen horizontalen Längsschnitt durch den Spiralwärmetau­ scher der Fig. 1 entlang der Linie III-III;

Fig. 4 in vergrößerter Darstellung in der Seitenansicht ein Abstands­ element in Form eines gewendelten Drahts;

Fig. 5 in der Seitenansicht drei verschiedene Betriebspositionen des Abstandselements der Fig. 4;

Fig. 6 im schematischen vertikalen Querschnitt die seitli­ che Abstandsfixierung von Abstandselementen gemäß Fig. 4;

Fig. 7 eine Darstellung ähnlich derjenigen der Fig. 2 ge­ mäß einer weiteren Ausführungsform eines Spiralwärme­ tauschers;

Fig. 8 eine Darstellung ähnlich derjenigen der Fig. 2 ge­ mäß einer dritten Ausführungsform eines Spiralwärmetau­ schers;

Fig. 9 im Schema einen momentanen Verfahrenszustand beim Wickeln der Spiralkanäle für den Spiralwärmetauscher der Fig. 1 und

Fig. 10 eine Darstellung ähnlich derjenigen der Fig. 2 mit verschiedenen Montagezuständen.

Mit 1 ist in den Fig. 1 bis 3 ein Spiralwärmetauscher be­ zeichnet, in welchem zwei auf unterschiedlichen Tempera­ turniveaus liegende Tauschermedien TM, TM1 in einen Wärme indirekt tauschenden Kontakt gebracht werden.

Der Spiralwärmetauscher I besitzt ein langgestrecktes Gehäuse 2 mit einem ovalen Querschnitt. Das Gehäuse 2 ist an den Enden 3 durch eingeschweißte Deckel 4 verschlos­ sen. Neben den Deckeln 4 erstrecken sich Dichtplatten 5 aus einem Asbestersatz-Material.

Das Gehäuse 2 wird von zwei sich im Abstand nebenein­ ander erstreckenden Axialkanalpaaren AKP, AKP1 in Längsrichtung durchzogen. Jedes Axialkanalpaar AKP, AKP1 ist durch eine ebene Trennwand 6 in einen im Quer­ schnitt halbkreisförmigen axialen Zuströmkanal 7 bzw. 8 und in einen im Querschnitt halbkreisförmigen axialen Ab­ strömkanal 9 bzw. 10 unterteilt. Desweiteren läßt insbeson­ dere die Fig. 1 erkennen, daß jedes Axialkanalpaar AKP, AKP1 von einem Spiralkanalpaar SPK, SPK1 umschlungen ist. Die Spiralkanalpaare SPK, SPK1 sind durch mit radia­ lem Abstand zueinander gewickelte Bänder 11 aus Stahl­ blech gebildet. Jeder Spiralkanal 12-15 der Spiralkanal­ paare SPK, SPK1 weist mehrere Windungen auf. Zur Ein­ haltung der Zeichnungsübersichtlichkeit ist jeweils nur eine Windung dargestellt. In der Regel beträgt die Anzahl der Windungen mehr als zehn.

Die radial inneren Enden 16 der Spiralkanäle 12-15 mün­ den in die Zuströmkanäle 7, 8 und in die Abströmkanäle 9, 10. Hingegen gehen die radial außen liegenden Windungen der Spiralkanäle 12, 13 des einen Spiralkanalpaars SPK in der vertikalen Mittellängsebene VMLE des Gehäuses 2 in die radial außen liegenden Windungen der Spiralkanäle 15, 14 des anderen Spiralkanalpaars SPK1 über.

Auf diese Weise ist der Zuströmkanal 7 des Axialkanal­ paars AKP über die Spiralkanäle 12 und 15 mit dem Ab­ strömkanal 10 des Axialkanalpaars AKP1 und der Zuström­ kanal 8 des Axialkanalpaars AKP1 über die Spiralkanäle 14 und 13 mit dem Abströmkanal 9 des Axialkanalpaars AKP verbunden.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 sind das beauf­ schlagungsseitige Ende 17 des Zuströmkanals 7 und das ab­ strömseitige End 18 des Abströmkanals 10 mit Stirnplatten 19 verschlossen. Auch die jeweils axial gegenüberliegenden Enden 63 des Zuströmkanals 7 bzw. 64 des Abströmkanals 10 sind mit Stirnplatten 19 verschlossen. Die Stirnplatten 19 sind mit den die Spiralkanäle 12-15 bildenden Bändern 11 verschweißt. Die Stirnplatten 19 besitzen umfangsseitig na­ senartige Fortsätze 20, mit denen sie in die radial inneren Enden 16 der Spiralkanäle 12-15 fassen und hier mit Rund­ drähten 21 verschweißt sind, welche die Spiralkanäle 12, 15 bzw. 13, 14 in den Querebenen der Stirnplatten 19 stirnseitig abdichten. Die diesen Spiralkanälen 12, 15 bzw. 13, 14 um­ fangsseitig benachbarten Spiralkanäle 13, 14 bzw. 12, 15 sind hingegen nur von den Dichtplatten 5 stirnseitig so be­ grenzt, daß kein Übertritt der Tauschermedien TM, TM1 aus den Spiralkanälen 12, 15 in die Spiralkanäle 14, 13 stattfin­ den kann.

In die beaufschlagungsseitigen Enden 17 der Zuströmka­ näle 7, 8 und in die abströmseitigen Enden 18 der Abström­ kanäle 9, 10 münden rohrförmige Zuströmstutzen 22 und Abströmstutzen 23. Diese durchsetzen die Stirnplatten 19, die Dichtplatten 5 sowie die Deckel 4. Dabei sind der in den Zuströmkanal 7 mündende Zuströmstutzen 22 und der in den Abströmkanal 10 mündende Abströmstutzen 23 mit den Stirnplatten 19 und den Deckeln 4 verschweißt. Der in den Zuströmkanal 8 mündende Zuströmstutzen 22 und der in den Abströmkanal 9 mündende Abströmstutzen 23 sind hin­ gegen nur mit den Deckeln 4 verschweißt.

Die Fig. 1 läßt darüberhinaus noch erkennen, daß zur ein­ wandfreien Ausbildung der radial außen liegenden Windun­ gen der Spiralkanäle 12, 14 innenseitig der Flachseiten 24 des Gehäuses 2 im Querschnitt dreieckförmige Längsleisten 25 angeordnet sind. Deren Seitenflächen 26 sind entspre­ chend den Krümmungen der Spiralkanäle 12, 14 konkav ge­ krümmt. Die Längsleisten 25 sind bevorzugt hohl ausgebil­ det und mit Querversteifungen 27 versehen.

Das Material des Spiralwärmetauschers 1 ist austeniti­ scher Stahl.

Die lichte radiale Weite W der Spiralkanäle 12-15 (siehe insbesondere Fig. 3) ist durch mehrere im seitlichen Ab­ stand A nebeneinander angeordnete, sich in Wickelrichtung der Spiralkanäle 12-15 erstreckende Abstandselemente 28 bestimmt. Die Abstandselemente 28 bestehen gemäß Fig. 4 aus gewendelten Drähten 29, deren Windungen 30 zu den Längsachsen 31 der Abstandselemente 28 schräg gestellt sind. Auf diese Weise ist es entsprechend den drei Darstel­ lungen der Fig. 5 möglich, daß sich die Windungen 30 aus der Normalstellung gemäß a) über die Position b) bis zur Po­ sition c) in der Schräglage verändern und sich auf diese Art und Weise Weitenänderungen der Spiralkanäle 12-15 an­ passen können. Der seitliche Abstand A der Abstandsele­ mente 28 wird durch Knotendrähte 32 bewirkt, deren Kno­ ten 33 in die Abstandselemente 28 eingepreßt sind (Fig. 6).

Auch das Material der Abstandselemente 28 und der Knotendrähte 32 ist austenitischer Stahl.

In der Fig. 7 ist anhand eines endseitigen Vertikalschnitts eines Spiralwärmetauschers 1a eine Ausführungsform ver­ anschaulicht, bei welcher eines der beiden im Wärmetausch stehenden Tauschermedien TM, TM1, hier z. B. das Tau­ schermedium TM, kritisch, z. B. giftig, ist. Um in diesem Fall (siehe auch Fig. 1) eine hermetische Sicherheitsbarriere zum unkritischen Tauschermedium TM1 vorzusehen, sind in die einen Zuströmkanal 7 mit einem Abströmkanal 10 verbindenden Spiralkanäle 12, 15 zwei Stahlbänder 34 ein­ gewickelt, welche die Wände 35 der Spiralkanäle 12, 15 flä­ chig kontaktieren. Der Spalt SP zwischen den Stahlbändern 34 und den Wänden 35 geht gegen Null. An den Stirnenden 36 sind die Stahlbänder 34 durch im axialen Abstand zu den Stirnplatten 19 liegende Endplatten 37 sowie in den Quer­ ebenen der Endplatten 37 durch eingeschweißte Runddrähte 38 miteinander verbunden. Die Bereiche 39 zwischen den von den Zuströmstutzen 22 und den Abströmstutzen 23 durchsetzten Endplatten 37 und den Stirnplatten 19 sind ins­ besondere einströmseitig über die Zuströmstutzen 22 und die Abströmstutzen 23 mit radialem Abstand umgebende, mit den Stirnplatten 19 und den Deckeln 4 verschweißte Rohre 40 an Druckwächter 41 angeschlossen.

Wird mithin der von den Stahlbändern 34, den Endplatten 37 und den Runddrähten 38 begrenzte Strömungsraum 42 undicht, führt dies zu einer Druckänderung im Bereich 39 und dadurch zu einem Signal des Druckwächters 41.

Die Fig. 8 zeigt anhand eines endseitigen Vertikalschnitts eines Spiralwärmetauschers 1b die Möglichkeit, zwei Me­ dien miteinander zu mischen, hier z. B. in den Spiralkanälen 12 und 15.

Zu diesem Zweck (siehe auch Fig. 1) sind in die den Zu­ strömkanal 7 mit dem Abströmkanal 10 verbindenden Spi­ ralkanäle 12, 15 zwei perforierte Stahlbänder 43 mit Ab­ stand zu den Wänden 35 der Spiralkanäle 12, 15 eingewic­ kelt. In die Spalte SP1 zwischen den Wänden 35 und den perforierten Stahlbändern 43 sind sich in Wickelrichtung der Spiralkanäle 12, 15 erstreckende Abstandselemente 28 ge­ mäß Fig. 4 eingegliedert. Diese sind in der Fig. 8 nicht näher veranschaulicht.

Zwischen die Stirnenden 44 der perforierten Stahlbänder 43 sind im axialen Abstand zu den Stirnplatten 19 liegende Trennplatten 45 sowie in die Querebenen der Trennplatten 45 Runddrähte 46 eingeschweißt. Die Bereiche 47 zwischen den Trennplatten 45 und den benachbarten Stirnplatten 19 sind über die Trennplatten 45 dicht durchsetzende Zuström­ stutzen 22 mit radialem Abstand umgebende, mit den Stirn­ platten 19 und den Deckeln 4 verschweißte Rohre 48 an die Zufuhr 49 für ein Tauschermedium TM2 angeschlossen.

Aufgrund der perforierten Stahlbänder 43 in den Spiral­ kanälen 12, 15 können folglich die Tauschermedien TM und TM2 gemischt und mit dem in den Spiralkanälen 14, 13 strömenden Tauschermedium TM1 in einen Wärme indirekt tauschenden Kontakt gebracht werden.

Anhand der Fig. 9 und 10 wird nachfolgend im Schema das Wickeln der Spiralkanäle 12-15 sowie der Zusammen­ bau eines Spiralwärmetauschers 1b gemäß der Ausfüh­ rungsform der Fig. 1 und 8 erläutert.

Die Wickelvorrichtung 49 umfaßt zwei Halbrollenpaare 50, 51; 52, 53, bei denen jeweils die Halbrollen 50, 51 bzw. 52, 53 in der Teilungsebene um etwa die Weite W eines Spi­ ralkanals 12-15 zueinander versetzt sind. Die in der Aus­ gangsposition äußeren Halbrollen 50, 53 werden in die ent­ sprechend vorgeformten Endabschnitte 54 eines in sich ge­ schlossenen Stahlbands 11 eingegliedert. Das Stahlband 11 ist mit mehreren Dehnfaltenbereichen 55 ausgerüstet, wel­ che die unterschiedlichen Dehnungen der sich zwischen den Halbrollen 50, 51 und 52, 53 erstreckenden Längenab­ schnitte 56, 57 des Stahlbands 11 berücksichtigen.

Des Weiteren werden zwischen diese Längenabschnitte 56, 57 Abstandselemente 28 gemäß Fig. 4 eingegliedert. Die Enden der Abstandselemente 28 werden in geringem Ab­ stand von den Flachseiten 58 der Halbrollen 50 und 51 bei 59 an dem Stahlband 11 fixiert. Im Bereich der Halbschalen 52 und 53 erfolgt die Befestigung an einem Punkt 62, der etwa der Länge des konvex gekrümmten Oberfläche der Halbschale 52 entspricht.

Ferner wird umfangsseitig des umfangsseitig der Halb­ rolle 50 fixierten Abstandselements 28 ein Hilfsblech 60 vorgesehen. Die Länge des Hilfsblechs 60 entspricht unge­ fähr der Länge einer Windung eines Spiralkanals 12-15. Es gestattet das Wickeln der einseitig freiliegenden, außen lie­ genden Abstandselemente 28.

Durch Rotieren der Halbrollenpaare 50, 51; 52, 53 im Sinne der Pfeile PF und PF1 mit elastischer Andrückung durch Stützrollen 61, wobei ein Halbrollenpaar 52, 53 sta­ tionär angeordnet ist und das andere Halbrollenpaar 50, 51 gemäß dem Pfeil PF2 gegen federnde Elemente 65 auf das stationäre Halbrollenpaar 52, 53 zu bewegt wird, können nunmehr die beiden Spiralkanalpaare SPK und SPK1 mit der gewünschten Anzahl an Windungen gewickelt werden.

Nach dem Wickeln werden die Spiralkanalpaare SPK, SPK1 in Längsrichtung des endseitig offenen Gehäuses 2 so weit eingeschoben, daß entsprechend der Darstellung der Fig. 10 der Runddraht 46 und die Trennplatte 45 mit den gleichfalls adäquat zu der Erläuterung der Fig. 9 eingewic­ kelten Stahlbändern 34 gemäß Fig. 7 oder perforierten Stahlbändern 43 gemäß Fig. 8 verschweißt werden können. Die an einem Ende derart abgedichteten Stahlbänder 34 bzw. 43 werden dann zur anderen Seite durchgeschoben, so daß auch dort die Stirnenden 44 der Stahlbänder 34 bzw. 43 mit der Trennplatte 45 und dem Runddraht 46 versehen wer­ den können.

Anschließend werden die insoweit endseitig abgedichte­ ten perforierten Stahlbänder 43 in die Betriebsposition ver­ lagert.

Nunmehr können auch die Stirnplatten 19 stirnseitig der Zuström- und Abströmkanäle 7 und 10 und in den Ebenen der Stirnplatten 19 die Runddrähte 21 verschweißt werden.

Im Anschluß daran werden die Dichtplatten 5 gegen die Spiralkanäle 12, 15; 13, 14 gedrückt, anschließend die Dec­ kel 4 eingesetzt und mit dem Gehäuse 2 verschweißt.

Das Einschweißen der Zuströmstutzen 22, der Abström­ stutzen 23 und der Rohre 40, 48 sowie der Zufuhr 49 erfolgt in der entsprechend angepaßten Reihenfolge.

Bezugszeichenliste

1

Spiralwärmetauscher

1

a Spiralwärmetauscher

1

b Spiralwärmetauscher

2

Gehäuse v.

1

3

Enden v.

2

4

Deckel v.

1

5

Dichtplatten

6

Trennwand v. AKP, AKP

1

7

Zuströmkanal v. AKP

8

Zuströmkanal v. AKP

1

9

Abströmkanal v. AKP

10

Abströmkanal v. AKP

1

11

Bänder

12

Spiralkanal

13

Spiralkanal

14

Spiralkanal

15

Spiralkanal

16

radial innere Enden v.

12-15

17

beaufschlagungsseitigen Enden v.

7

,

8

18

abströmseitige Enden v.

9

,

10

19

Stirnplatten

20

Fortsätze

21

Runddrähte

22

Zuströmstutzen

23

Abströmstutzen

24

Flachseiten v.

2

25

Längsleisten

26

Seitenflächen v.

27

27

Querversteifungen

28

Abstandselemente

29

Drähte v.

28

30

Windungen v.

29

31

Längsachse v.

28

32

Knotendrähte

33

Knoten v.

32

34

Stahlbänder

35

Wände v.

12

,

15

36

Stirnenden v.

34

37

Endplatten

38

Runddrähte

39

Bereiche

40

Rohre

41

Druckwächter

42

Strömungsraum zw.

34

43

perforierte Stahlbänder

44

Stirnenden v.

43

45

Trennplatten

46

Runddrähte

47

Bereiche

48

Rohre

49

Wickelvorrichtung

50

Halbrolle

51

Halbrolle

52

Halbrolle

53

Halbrolle

54

Endabschnitte

55

Dehnfaltenbereiche

56

Längenabschnitt v.

11

57

Längenabschnitt v.

11

58

Flachseiten v.

50-53

59

Fixierpunkt v.

28

60

Hilfsblech

61

Stützrollen

62

Fixierpunkt v.

28

63

Ende v.

7

64

Ende v.

8

65

federnde Elemente
A Abstand v.

28

AKP Axialkanalpaar
AKP1 Axialkanalpaar
PF Pfeil
PF1 Pfeil
PF2 Pfeil
SP Spalte zw.

34

u.

35

SP1 Spalte zw.

43

u.

35

SPK Spiralkanalpaar
SPK1 Spiralkanalpaar
TM Tauschermedium
TM1 Tauschermedium
TM2 Tauschermedium
VMLE vertikale Mittellängsebene v.

2

W lichte radiale Weite v.

12-15

Claims (9)

1. Spiralwärmetauscher, der durch mit radialem Abstand zueinander gewickelte Bänder (11) gebildete Spi­ ralkanäle (12-15) mit jeweils mehreren Windungen auf­ weist, deren lichte radiale Weite (W) durch mehrere im Abstand (A) nebeneinander angeordnete, sich in Wickelrichtung der Spiralkanäle (12-15) erstreckende Abstandselemente (28) bestimmt ist und welche mit zwei auf unterschiedlichen Temperaturniveaus liegen­ den Tauschermedien (TM, TM1) beaufschlagbar sowie in einem langgestreckten, im Querschnitt ovalen Gehäuse (2) angeordnet sind, das in Längsrichtung von zwei sich im Abstand nebeneinander erstreckenden Axi­ alkanalpaaren (AKP, AKP1) durchzogen ist, die mit den radial inneren Enden (16) der Spiralkanäle (12-15) verbunden und durch eine Trennwand (6) jeweils in einen im Querschnitt halbkreisförmigen axialen Zu­ strömkanal (7, 8) sowie in einen im Querschnitt halb­ kreisförmigen axialen Abströmkanal (9, 10) unterteilt sind, wobei jedes Axialkanalpaar (AKP, AKP1) von einem Spiralkanalpaar (SPK, SPK1) umschlungen ist, die derart gegenläufig gewickelt sind, dass die ra­ dial außen liegenden Windungen der Spiralkanäle (12-­ 15) in der vertikalen Mittellängsebene (VMLE) des Ge­ häuses (2) tangential ineinander übergehen und wobei der Zuströmkanal (7, 8) jedes Axialkanalpaars (AKP, AKP1) an mindestens einem Ende (17) mit einem Tau­ schermedium (TM, TM1) beaufschlagbar und über zwei aneinanderschließende Spiralkanäle (12, 15; 14, 13) mit dem Abströmkanal (9, 10) des benachbarten Axial­ kanalpaars (AKP, AKP1) verbunden ist, aus dem das Tauschermedium (TM, TM1) dann endseitig abführbar ist.

2. Spiralwärmetauscher nach Anspruch 1, bei welchem die Abstandselemente (28) aus wendelförmigen Drähten (29) bestehen, deren Windungen (30) schräg gestellt sind.

3. Spiralwärmetauscher nach Anspruch 2, bei welchem der seitliche Abstand (A) der Abstandselemente (28) durch mit ihren Knoten (33) in die Abstandselemente (28) eingepresste Knotendrähte (32) bestimmt ist.

4. Spiralwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das beaufschlagungsseitige Ende (17) eines Zuströmkanals (7) und dessen axial gegenüber­ liegendes Ende (63) sowie das abströmseitige Ende (18) eines Abströmkanals (10) und dessen axial gegen­ überliegendes Ende (64) mit Stirnplatten (19) verschlossen sind, die mit umfangsseitigen Fortsätzen (20) in die radial inneren Enden (16) der Spi­ ralkanäle (12-15) fassen und hier mit Drähten (21) verschweißt sind, welche die Spiralkanäle (12-15) in den Querebenen der Stirnplatten (19) abdichten, wäh­ rend die jeweils umfangsseitig der Stirnplatten (19) liegenden Spiralkanäle (12-15) stirnseitig von Dichtplatten (5) begrenzt sind, die sich an das Gehäuse (2) endseitig verschließende Deckel (4) abstützen.

5. Spiralwärmetauscher nach Anspruch 4, bei welchem in die beaufschlagungsseitigen Enden (17) der Zu­ strömkanäle (7, 8) und in die abströmseitigen Enden (18) der Abströmkanäle (9, 10) rohrförmige Zuström­ stutzen (22) und Abströmstutzen (23) münden, wobei jeweils ein Zuströmstutzen (22) und der diesem strö­ mungstechnisch zuegordnete Abströmstutzen (23) die Stirnplatten (19), die Dichtplatten (5) sowie die Deckel (4) durchsetzen und mit den Stirnplatten (19) sowie den Deckeln (4) verschweißt sind, während der andere Zuströmstutzen (22) und der diesem strömungs­ technisch zugeordnete Abströmstutzen (23) die Dicht­ platten (5) durchsetzen und mit den Deckeln (4) ver­ schweißt sind.

6. Spiralwärmetauscher nach Anspruch 4 oder 5, bei wel­ chem in die einen Zuströmkanal (7) mit einem Abström­ kanal (10) verbindenden Spiralkanäle (12, 15) zwei Stahlbänder (34) eingewickelt sind, welche die Wände (35) der Spiralkanäle (12, 15) kontaktieren und an den Stirnenden (36) durch im axialen Abstand zu den Stirnplatten (19) liegende Endplatten (37) sowie in den Querebenen der Endplatten (37) durch einge­ schweißte Drähte (38) miteinander verbunden sind, wo­ bei die Bereiche (39) zwischen den von den Zuström­ stutzen (22) und den Abströmstutzen (23) durchsetzten Endplatten (37) und den Stirnplatten (19) an Druck­ wächter (41) angeschlossen sind.

7. Spiralwärmetauscher nach Anspruch 6, bei welchem die Bereiche (39) über die Zuströmstutzen (22) und die Abströmstutzen (23) mit radialem Abstand umgebende, mit den Stirnplatten (19) und den Deckeln (4) verschweißte Rohre (40) an die Druckwächter (41) ange­ schlossen sind.

8. Spiralwärmetauscher nach Anspruch 4 oder 5, bei wel­ chem in die einen Zuströmkanal (7) mit einem Abström­ kanal (10) verbindenden Spiralkanäle (12, 15) zwei perforierte Stahlbänder (43) mit Abstand zu den Wän­ den (35) der Spiralkanäle (12, 15) eingewickelt und in die Spalte (SP1) zwischen den Wänden (35) und den perforierten Stahlbändern (43) sich in Wickelrichtung der Spiralkanäle (12, 15) erstreckende Abstandsele­ mente (28) eingegliedert sind, wobei zwischen die Stirnenden (44) der perforierten Stahlbänder (43) im axialen Abstand zu den Stirnplatten (19) liegende Trennplatten (45) sowie in den Querebenen der Trenn­ platten (45) Drähte (46) eingeschweißt sind, und wo­ bei mindestens der Bereich (47) zwischen der zuström­ seitigen Trennplatte (45) und der dieser benachbarten Stirnplatte (19) an eine Medienzufuhr (49) ange­ schlossen ist.

9. Spiralwärmetauscher nach Anspruch 8, bei welchem der Bereich (47) über ein den die Trennplatte (45) dicht durchsetzenden Zuströmstutzen (22) mit radialem Ab­ stand umgebendes, mit der Stirnplatte (19) und dem Deckel (4) verschweißtes Rohr (48) an die Medienzu­ fuhr (49) angeschlossen ist.